李玉良 李 坤 錢 猛
摘 要：電氣自動化技術(shù)是現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、提高市場信譽的關(guān)鍵。帶鋼熱連軋工藝集合了當今裝備行業(yè)各種高新技術(shù)應(yīng)用，日益成熟的熱連軋電氣自動化技術(shù)提高了生產(chǎn)效率，改進了產(chǎn)品精度和性能，帶來了巨大的經(jīng)濟效益。因此熱連軋智能化技術(shù)應(yīng)用具有創(chuàng)新的重要意義。
關(guān)鍵詞：智能化；工藝流程；模型
0 引言
為什么智能制造如此重要？ 前哈佛大學教授，著名經(jīng)濟學家、世界銀行經(jīng)濟顧問霍利斯·錢納里曾在《工業(yè)化和經(jīng)濟增長比較研究》一書中指出：“以制造業(yè)增長為代表的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，會加速經(jīng)濟增長進程；制成品出口導向國家，經(jīng)濟結(jié)構(gòu)變化速度較快，國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)聯(lián)系程度更高，制造業(yè)對增長貢獻也更大。”我國經(jīng)濟高速發(fā)展在于成功利用了人口帶來的勞動力優(yōu)勢。據(jù)工信部2019年的數(shù)據(jù)，我國制造業(yè)增加值達26.9萬億元，占全球比重28.1%，連續(xù)十年保持世界第一制造大國地位。目前面臨著來自內(nèi)外兩方面的挑戰(zhàn)。 一內(nèi)部，國內(nèi)制造業(yè)“用工荒”逐年加劇，疫情之后一度成為社會熱點。人口紅利使低端產(chǎn)業(yè)造成了對低成本勞動力的依賴，而年輕群體則不再滿足于傳統(tǒng)制造業(yè)工人微薄的收入。 二外部，以德國提出 “第四次工業(yè)革命”、美國“智能制造領(lǐng)導聯(lián)盟”、英國《英國工業(yè)2050戰(zhàn)略》等等為首。在國際范圍內(nèi)，多個政府或組織正在大力推動新型高自動化制造形式，智能制造已逐漸成為新的趨勢。智能制造技術(shù)起到關(guān)鍵作用。其目標是高效率、高質(zhì)量，關(guān)鍵技術(shù)包括智能傳感、AI技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等。
1 熱連軋帶鋼工藝生產(chǎn)流程線的組成
1.1 板坯庫
為了節(jié)省能源希望能加大熱裝比例，但為了便于軋制品種靈活變動和產(chǎn)品寬度規(guī)格調(diào)整，以及緩沖軋機與連鑄機生產(chǎn)能力的不協(xié)調(diào)，因此需要設(shè)置板坯庫以堆放板坯。板坯在庫內(nèi)有規(guī)則的放置，考慮到板坯爐里溫度高由生產(chǎn)控制級計算機通過無線遙控吊車進行吊裝，減少了人員設(shè)置，確保了本質(zhì)安全。智能物流模塊。釆用激光成像、無線通信、電子防搖、微波測距等技術(shù)，實現(xiàn)熱軋板坯庫智能庫管與行車無人化控制，成為熱軋板坯庫物流無人化車間。
加熱爐是軋線用來加熱板坯的，現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的是四段步進式加熱爐，利用汽化冷卻原理保護爐體運行，其能有效減小水印，提高板坯溫度的均勻性，一般板坯的出爐溫度為1250℃左右。板坯加熱質(zhì)量將直接影響軋制帶鋼質(zhì)量。板坯的上下面加熱不均將在粗軋時形成翹頭或扣頭，長度方向加熱不均將影響成品厚度精度等帶鋼全長質(zhì)量指標。爐內(nèi)殘氧含量實時分析是關(guān)鍵指標，不僅會造成氧化鐵皮數(shù)量的變化，空煙外排帶走了熱量加大了能源消耗，必須控制在2%以內(nèi)。
1.3 粗軋機
粗軋機現(xiàn)在較為流行的是板坯厚度低于200㎜采用單機架四輥或兩輥軋機方案，即采用一架強力粗軋機進行3～7道次可逆制制來滿足精軋的坯料要求。當板坯厚度大于230㎜時粗軋采用雙機架串聯(lián)的布置方案。為達到提高精軋入口溫度的目的，除了減少粗軋軋制時間提高粗軋出口溫度外，也可以在粗軋機出口設(shè)計保溫罩或熱卷箱。
1.4 精軋機組
精軋機組是帶鋼熱連軋生產(chǎn)線的核心設(shè)備，產(chǎn)品質(zhì)量主要取決于精軋機組的裝備水平和控制水平。精軋機組主要包括入口側(cè)導板、飛剪、精軋除鱗箱、精軋機架（現(xiàn)以7架四輥軋機最為普遍）、除鱗水裝置、熱軋工藝潤滑裝置、活套裝置、板形控制裝置等。精軋終軋溫度一般控制在850～900付左右，以保證精軋機組能在奧氏體范圍內(nèi)軋出成品帶鋼。
1.5 卷取機
卷取區(qū)設(shè)有側(cè)導板、夾送輥、卷取機，在帶鋼咬入卷取機后及時建立張力，保證成品卷不出塔形，邊部整齊。目前普遍采用機前側(cè)導板采用伺服閥執(zhí)行壓力環(huán)+位置環(huán)控制方式，液壓助卷輥以實現(xiàn)自動踏步控制（AJC），其目的是使帶鋼頭部能無沖擊地平穩(wěn)進入每個助卷輥，保證帶鋼表面不出現(xiàn)壓痕和避免對助卷機構(gòu)造成沖擊損傷?，F(xiàn)在卷取機多數(shù)采用三個助卷輥，結(jié)構(gòu)和維護相對簡單實用。卷取機的能力（最大卷取厚度，卷徑和卷取速度）限制了已有軋機能力的進一步提高及產(chǎn)品的最大厚度規(guī)格，目前設(shè)計能力厚度一般是不超過25㎜。
2 熱連軋電氣自動化技術(shù)
熱連軋電氣自動化系統(tǒng)多數(shù)廠家采用由三級構(gòu)成，即：（1）基礎(chǔ)自動化級（L1級），主要完成設(shè)備的順序控制、位置控制、速度控制等任務(wù)。（2）過程自動化級（L2級），主要執(zhí)行基于數(shù)學模型的軋制規(guī)程制定與優(yōu)化功能，完成工藝過程參數(shù)的設(shè)定計算任務(wù)。（3）生產(chǎn)控制管理級（L3/L4級），主要完成生產(chǎn)管理任務(wù)。
2.1 基礎(chǔ)自動化級（L1級）
基礎(chǔ)自動化級主要包括自動位置控制（APC）、自動厚度控制（AGC）、自動寬度控制（AWC）、板形控制（ASC）、卷取溫度控制等，其中又以自動厚度控制（AGC）最為重要。AGC系統(tǒng)的控制模式和控制算法有很多，例如基于彈跳方程的GM-AGC，基于X射線測厚儀的監(jiān)控AGC、動態(tài)設(shè)定型AGC、相對AGC、絕對AGC、軋制力前饋AGC、硬度前饋AGC等。在一個實際的AGC系統(tǒng)中往往包含了多種控制模式。
2.1.1 彈跳方程與出口厚度檢測
由著名的彈跳方程式得出：h＝So+P/C（2-1）
考慮到軋機零調(diào)及軸承油膜厚度對輥縫的影響以及一些不可測因素，因此實際板厚應(yīng)為h＝S+（P—p）/C h精軋出口厚度
P 軋制力 p零調(diào)壓力 C軋機剛度
2.1.2 厚度給定值的確定
厚度給定值的確定分為兩種方法，即絕對AGC和相對AGC。絕對AGC是以各機架按照負荷分配原則所設(shè)定的出口厚度作為該機架AGC系統(tǒng)控制的目標厚度。絕對AGC理論上具有合理性，但由于基于彈跳方程的板厚間接測量方法精度較低，絕對AGC要想達到理想的使用效果，仍然面臨著比較大的困難。和絕對AGC相比，相對AGC使用更普遍，也更成熟。所謂相對AGC是指不論是否符合厚度設(shè)定值，各機架厚度控制系統(tǒng)均以末機架帶鋼頭部實際軋出厚度的測量值連續(xù)測量一定數(shù)量的平均厚度作為厚度目標值。相對AGC首先避免了AGC系統(tǒng)以設(shè)定厚度作為目標值投入后所引起的大范圍壓下調(diào)整，有利于軋制過程的穩(wěn)定，保證了通板同條差穩(wěn)定。其次，相對AGC采用鎖定板厚的方法可以消除基于彈跳方程的厚度測量方法的系統(tǒng)固有誤差的影響。相對AGC的缺點是可能造成實際軋制狀況與計算規(guī)程出現(xiàn)較大偏差，軋制負荷分配失準，且?guī)т擃^部絕對厚度精度缺乏保證。
2.1.3 X-監(jiān)控 AGC
基于彈跳方程的間接測量方法測量精度較低，根本不能滿足對產(chǎn)品質(zhì)量的要求，因此為保證成品帶鋼的絕對厚度，即使已經(jīng)存在GM-AGC，且不論是絕對AGC還是相對AGC，都需要X射線測厚儀所給出的厚度偏差實測值對AGC系統(tǒng)實時監(jiān)控，并及時將實測值和目標值比較反饋到上位機安排執(zhí)行修正。
檢測值——給定值（對比后）——調(diào)節(jié)量——反饋到上位機——AGC動作調(diào)整——檢測這個過程是閉環(huán)執(zhí)行。
2.1.4. 鑒于帶鋼生產(chǎn)的連續(xù)性，表面質(zhì)量的控制改進始終是當前面臨的難題。出現(xiàn)表面缺陷時，由人工進行設(shè)備與工藝的排査，耗時耗力，效率低。表面質(zhì)量中的帶鋼表面氧化鐵皮壓入、邊部線狀缺陷等是目前的突出質(zhì)量問題，用戶質(zhì)量異議、抱怨較多。采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，開展表面氧化鐵皮、邊線缺陷AI建模、缺陷智能診斷研究。研究工作包括數(shù)據(jù)準備與處理、AI建模、工藝診斷優(yōu)化三部分。對于AI模型，探索了多種建模方法，最終發(fā)現(xiàn)以Xgboost建立的表面缺陷預測模型綜合精度最好，AUC值(學習器性能優(yōu)劣衡量指標))達到0.92。
2.2 過程自動化（L2級）
過程自動化包括設(shè)定計算和設(shè)定、軋件跟蹤、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)記錄和報表、模擬軋鋼以及數(shù)學模型等。數(shù)學模型中以精軋設(shè)定模型應(yīng)用得最好。精軋設(shè)定模型主要包括以下幾個數(shù)學模型：1）溫度預報模型；2）軋制力預報模型；3）軋制功率、軋制力矩預報模型；4）軋機彈跳模型；5）輥縫計算模型。其中軋制力預報模型是重點。軋制力數(shù)學模型中除了考慮軋件的寬度和軋輥的接觸弧長之處，把軋制力分解成兩個函數(shù)的乘積。一個是變形抗力，另一個是應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)。因此，
Fi=Kmi*Qpi＊L*W
式中F-軋制力，kN；Km-變形抗力，kg/mm2；QP-應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)；Ld-軋輥的接觸弧長，mm；W-軋件的寬度mm
2.3 生產(chǎn)控制管理級
生產(chǎn)控制管理主要包括合同管理、軋制計劃編排、產(chǎn)品質(zhì)量管理系統(tǒng)、作業(yè)記錄、軋制數(shù)據(jù)存儲及管理、板坯及鋼卷庫管理、產(chǎn)品發(fā)貨管理、財務(wù)管理、各生產(chǎn)線的相互協(xié)調(diào)、按合同申請材料、跟蹤生產(chǎn)情況和質(zhì)量情況、組織成品出廠發(fā)貨等任務(wù)。不同的鋼鐵企業(yè)會根據(jù)自己的管理體制設(shè)置相應(yīng)的管理功能來豐富其中的內(nèi)涵。
3 熱連軋電氣自動化技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展
對熱連軋電氣自動化技術(shù)的創(chuàng)新研究方向主要是：
（1）自動厚度控制（AGC）；自動厚度
控制模式和控制算法較多，而且一個實際的系統(tǒng)中也往往包含了前饋 反饋 監(jiān)控等多種控制模式，但不管哪種控制模式，AGC系統(tǒng)作為一個快捷執(zhí)行者都要按照彈塑方程落實結(jié)果。對AGC控制結(jié)構(gòu)、控制策略、和控制算法的改進與創(chuàng)新是一個不斷不展的過程，尤其是控制速度，伺服閥的精度是重點。
（2）熱連軋數(shù)學模型；現(xiàn)階段數(shù)學模型里設(shè)定模型和溫度模型應(yīng)用較好，但板形模型普遍存在問題，需要在板形模型上加大投入力度，不斷在模型上融入新技術(shù)，使模型的軟件趨于標準化、產(chǎn)品化、適用于各種類型的熱軋生產(chǎn)線，并在模型上加上自適應(yīng)修正，使模型能夠自學習。目前看多數(shù)模型基礎(chǔ)來自于國外，國內(nèi)吸收改進后在精細化存在一定差距。
4 結(jié)束語
熱軋電氣自動化控制技術(shù)本身是個復雜的控制體系，它的應(yīng)用對鋼鐵廠至關(guān)重要，必須不斷創(chuàng)新發(fā)展自動化技術(shù)，不僅可以提高生產(chǎn)效率，并且大大改進產(chǎn)品精度和性能，減少人工投入帶來本質(zhì)安全，帶來巨大的經(jīng)濟效益，具有重要的意義。
參考文獻
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